Von Hindernissen zu Innovationen: Mitglieder des Nissan Teams, das den neuen e‑Power Generator-Motor entwickelt hat, berichten über ihre Errungenschaften

Das e‑Power System der dritten Generation von Nissan startet in diesem Monat im Nissan Qashqai in Europa und bietet verbesserte Effizienz, geringere Emissionen und ein leiseres Fahrerlebnis. Norihiko Tagishi, Akihiro Shikata und Naohiro Yoshida aus dem Antriebsstrang-Team von Nissan in Japan, die den bahnbrechenden neuen Motor im Herzen des Systems entwickelt haben, berichten über die Herausforderungen, die sie überwinden mussten, und erklären, wie der Motor funktioniert.

Neugestaltung der dritten Hybrid-Generation von Nissan

e‑Power ist das Hybridsystem von Nissan – ein einzigartiger elektrifizierter Antriebsstrang, der einen kompakten Benzinmotor mit einem Elektromotor kombiniert. Der Benzinmotor dient ausschließlich zur Stromerzeugung, die direkt an den Elektromotor weitergeleitet wird, um die Räder anzutreiben, sowie zum Laden der Batterie, falls erforderlich. Der Antriebsstrang bietet die sanfte, mühelose Beschleunigung und Raffinesse eines Elektrofahrzeugs mit der Alltagstauglichkeit eines herkömmlichen Verbrennungsfahrzeugs.

Neben einem neuen 5-in-1-Design, das die Kernkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs in einer leichteren, steiferen Einheit für verbesserte Raffinesse integriert, übernimmt das e‑Power System der dritten Generation einen völlig neuen 1,5-Liter-3-Zylinder-Turbobenzinmotor mit dem Codenamen ZR15DDTe.

Für einen einzigen Zweck entwickelt

Im Gegensatz zu den Motoren früherer Hybridgenerationen wurde der neue e‑Power Motor von Anfang an als Generator konzipiert – er liefert ausschließlich Strom für den Elektromotor der e‑Power Fahrzeuge.

Norihiko Tagishi, Senior Manager der e‑Power Projektmanagementgruppe, sagt:
„Als wir 2021 begannen, wählten wir einen unkonventionellen Ansatz, indem wir das Motorkonzept anders als traditionelle Motoren gestalteten. Da wir viele neue Funktionen integrierten, standen wir in jeder Entwicklungsphase vor beispiellosen technischen Herausforderungen. Doch durch die enge Zusammenarbeit von Entwicklungs- und Produktionsteams und indem wir niemals aufgaben, konnten wir diese Hindernisse überwinden.“

Während ein herkömmlicher Verbrennungsmotor über eine breite Drehzahl- und Lastspanne effizient arbeiten muss, ist der Motor in e‑Power Fahrzeugen ausschließlich der Stromerzeugung gewidmet. Dadurch konnten ihn die Ingenieurinnen und Ingenieure von Nissan präzise auf den effizientesten Betriebsbereich abstimmen.

Streben nach höherer thermischer Effizienz

Die thermische Effizienz misst, wie viel Energie aus dem Kraftstoff in nutzbare mechanische Leistung (Power) umgewandelt wird – der Rest geht als Wärme verloren. Je höher die thermische Effizienz eines Motors, desto weiter kann das Fahrzeug mit demselben Tankinhalt fahren. Im Fall von e‑Power führt eine verbesserte thermische Effizienz zu einer effizienteren Stromerzeugung.

Akihiro Shikata, Senior Manager der Powertrain Unit Performance Calibration Development Group, erklärt dazu:
„Wir begannen die Entwicklung, indem wir die Anforderungen an einen reinen Stromgenerator neu definierten. Indem wir die Ansprüche an die Motorreaktion lockerten, konnten wir ihn so gestalten, dass er optimale Leistung genau an dem Punkt erbringt, an dem die höchste thermische Effizienz und die maximale Leistung erreicht werden.“

Der innovative neue Motor, der im Nissan e‑Power der dritten Generation eingesetzt wird, erreicht eine beeindruckende thermische Effizienz von 42 Prozent.

Serienreife Einführung des STARC-Konzepts

Ein entscheidender Durchbruch zur Erreichung dieser hohen thermischen Effizienz war die Einführung eines Nissan eigenen „Strong Tumble & Appropriately stretched Robust ignition Channel“-Konzept.

Bekannt unter der Abkürzung STARC, erzeugt es beim Einspritzen des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylinder eine Wirbelströmung („Tumble“), die bis zur Zündung erhalten bleibt, um eine effiziente Verbrennung zu gewährleisten. Dies erzeugt einen starken Tumble-Fluss (vertikaler Wirbel) im Brennraum und stabilisiert den Zündfunkenkanal, was zu besseren Verbrennungsbedingungen führt. Selbst bei großem Einsatz von AGR (Abgasrückführung), die die thermische Effizienz verbessert, bleibt die Verbrennung stabil.

Um den optimalen Tumble-Fluss zu erzeugen, überprüften und optimierten die Ingenieurinnen und Ingenieure bei Nissan zahlreiche Komponenten wie Einlasskanal, Ventilwinkel, Pent-Roof-Form und Kolbenoberfläche – und schufen so die ideale Brennraumgeometrie.

Balance zwischen hoher Effizienz und Motorleistung

Um sowohl thermische Effizienz als auch Motorleistung zu verbessern, setzte das Team auf zahlreiche zusätzliche Technologien. So kam ein größerer Turbolader zum Einsatz, als normalerweise für einen 1,5-Liter-Motor üblich, um Pumpverluste zu reduzieren. In Kombination mit innovativen Ventilsteuerungen und Maßnahmen zur Klopfvermeidung konnten die Ingenieurinnen und Ingenieure einen idealen Zündzeitpunkt selbst bei hohem Verdichtungsverhältnis einstellen.

Das Ergebnis: ein Verdichtungsverhältnis von 13:1 – ungewöhnlich hoch für einen Turbomotor – das hohe thermische Effizienz mit starker Motorleistung vereint.

Während der Entwicklung musste das Team nicht nur die hohe thermische Effizienz erreichen, sondern auch die hohe Leistung sichern. Bei hohen Verdichtungen und starkem Ladedruck neigt der Motor stärker zu abnormaler Verbrennung (Frühzündung), die Schäden verursachen könnte. Dank präziser Steuerungstechnologien gelang es jedoch, dies erfolgreich zu verhindern.

Zudem verursachen große Turbolader oft ein sogenanntes „Turboloch“, das die Drehmomentreaktion verzögert. Durch das Energiemanagement von e‑Power stellten die Ingenieurinnen und Ingenieure sicher, dass die Fahrzeugbeschleunigung unbeeinträchtigt blieb.

Verbesserte Effizienz und Raffinesse

Beim Nissan Qashqai ermöglicht die verbesserte thermische Effizienz im höheren Drehmomentbereich, dass der Motor auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten mit konstanter Drehzahl arbeiten kann. Zusammen mit der steiferen 5-in-1-Struktur führt dies zu einem insgesamt leiseren Fahrverhalten und einem entspannteren, komfortableren Fahrerlebnis.

Das mit diesem Antriebsstrang ausgestattete Nissan Qashqai e‑Power Modell erreicht bis zu 16 Prozent Kraftstoffersparnis im realen Fahrbetrieb und 14 Prozent Effizienzsteigerung auf Autobahnen im Vergleich zum Vorgängermodell.

Modelljahr 2024, Nissan Qashqai 1.5 VC-T e‑Power 140 kW (190 PS), 4x2, Benziner: Energieverbrauch: 5,2-5,3 (l/100 km); CO₂-Emissionen: 116-120 (g/km); CO₂-Klasse: D

Technologietransfer aus anderen Branchen

Ein Schlüsselelement bei der Entwicklung des neuen Motors war die Gewährleistung eines gleichmäßigen Luftstroms vom Einlasskanal in den Brennraum, um einen starken Tumble-Fluss zu erzeugen.

Bei herkömmlichen Motoren wird das Design des Einlasskanals durch die Notwendigkeit von eingesetzten, gesinterten Ventilsitzen eingeschränkt, was die Optimierung des Kanals für den idealen Tumble-Fluss verhindert.

Die Nissan Ingenieurinnen und Ingenieure untersuchten zahlreiche Optionen und fanden schließlich in der „Cold Spray“-Technologie, die bereits in der Luft- und Raumfahrt, Energie-, Schwerindustrie- sowie Öl- und Gasbranche eingesetzt wird, eine zuverlässige Lösung.

Das Verfahren nutzt eine speziell entwickelte Legierung und firmeneigene Düsen, die von Poliertechniken aus der Schmiedewerkzeugproduktion inspiriert sind – und stellt eine Weltpremiere im Automobilmotorenbau dar.

Naohiro Yoshida, Chief Powertrain Engineer, sagt:
„Von Anfang an wussten wir, dass es schwierig werden würde; aber unser Team liebt Herausforderungen und wusste, dass unsere Kundinnen und Kunden den Nutzen unserer e‑Power Technologie noch mehr zu schätzen wissen würden, wenn wir Erfolg hätten. Am Ende haben wir es durch die Zusammenarbeit unserer drei Monozukuri-Divisionen (F&E, Produktion, Einkauf), relevanter Abteilungen und unserer Partnerunternehmen geschafft.“

Durch die Überwindung zahlreicher technischer Herausforderungen hat der ZR15DDTe-Motor seine hohe Leistungsfähigkeit als reiner Stromgenerator unter Beweis gestellt.

Blick in die Zukunft

Nach dem Nissan Qashqai werden auch Kundinnen und Kunden in den USA, Kanada und Japan das neue Nissan e‑Power System der dritten Generation erleben können, das nach und nach in weiteren Modellen und Regionen eingeführt wird.

Im Geschäftsjahr 2026 kommt es im nächsten Nissan Rogue für die USA und Kanada zum Einsatz. Auch der nächste Nissan Elgrand, ein großer Minivan für Japan, wird damit ausgestattet – weitere Märkte folgen.

Das Streben nach Effizienz und Leistung geht weiter

Dieser neue Motor stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bestreben des Teams dar, den ultimativen e‑Power Generator-Motor zu schaffen. Die Ingenieurinnen und Ingenieure im Nissan R&D Center in Atsugi, Japan, arbeiten bereits an der langfristigen Vision, die thermische Effizienz in zukünftigen e‑Power Motoren noch weiter zu steigern und Technologien wie STARC auf eine breite Palette von Nissan Motoren anzuwenden.

All dies ist Teil des kontinuierlichen Engagements von Nissan, den Kraftstoffverbrauch zu senken, Reichweiten zu verlängern und Emissionen zu reduzieren – mit dem Ziel, eine nachhaltigere Mobilität zu schaffen und Kundenzufriedenheit weltweit zu steigern.